电能质量谐波控制研究

吕欣　陈明　陈洪拎

【摘 要】本文主要分析了近年来谐波的产生原因以及各种分析和控制谐波的理论方法，通过对各个电能质量谐波控制方法的比较分析，确定采用电源电流预测控制算法对谐波进行控制具有有效性和优越性。

【关键词】电能质量控制；谐波控制方法；电流预测控制算法

0 引言

当前，多种电力电子装置广泛地应用在电力系统中，这使在提高工作效率的同时，也会在电网中产生了大量的谐波污染，产生谐波损耗，降低了电能质量，进而降低机器的使用效率，甚至引起严重事故。其中，谐波危害比较严重的电力设备有变频器、电弧炉、电力机车等，给系统用户带来众多危害，导致电气设备不能正常运行，所以控制谐波是提高电能质量的关键因素。传统的谐波控制方法主要使用LC无源滤波器，其方法简单，成本低廉。然而，补偿设备由于受到本身的结构限制，也只能补偿固定频率的谐波，且补偿效果相对来说比较差。近年来，有源电力滤波器成为抑制谐波的有效控制设备，能对任意次谐波进行补偿，相比无源电力滤波器具有更好的滤波效果，所以说，有源电力滤波器对于补偿谐波，提高电能质量具有良好的发展前景。

1 有源电力滤波器的电流控制方法

1.1 三角波跟踪法

三角波跟踪法是一种依据PWM控制原理的线性控制法。在一般情况下，有源电力滤波系统会产生延时等现象，这样也就会产生补偿电流与指令电流之间的误差，如此一来产生的补偿电流并不能实时跟踪谐波电流的变化，进而不能有效的补偿谐波电流，则需要一个有效的控制算法，使得误差尽可能趋近于0，获得理想的补效果。三角波控制法工作过程为先将输出的实际补偿电流与谐波检测的指令电流做差比较，经比例环节放大信号，再与同步信号给出的高频三角载波进行比较，调制PWM开关控制信号，最终得到补偿电流。

这种方法的优点在于：电路简单，且动态性好，能够实时的控制高频开关系统，其缺点在于：由于开关频率为固定的三角载波的频率，所以使得逆变器将一直工作在高频的状态，也会出现滞后现象。

1.2 滞环比较法

滞环比较法为一种常见的闭环控制法，其利用滞环比较器将实际的补偿电流与谐波指令电流进行比较，将比较的误差作为控制PWM变流器的开关动作，使实际的补偿电流保持在参考电流附近。在滞环控制结构中，用滞环电流控制器取代了三角波控制法中的比例积分调节器，这里滞环控制器具有两个调节功能，一个作为闭环电流调节器，另一个作为PWM调节器。其工作原理是，当指令电流信号与反馈电流信号误差超过滞环环宽时，功率开关将发出动作，以PWM信号来驱动控制电路开关器件通断，实时补偿电流参考值。滞环比较的环宽是其重要的控制参数，越宽电流跟踪越慢，补偿误差就越大；环宽越窄，电流跟踪越快，补偿效果更加精确，但如果环宽过窄，误差减小的同时，功率开关器件的开关频率也会升高，这样会导致电子器件的损坏。因此，在选择环宽的同时还要考虑到开关器件的承受能力及开关损耗。相比三角波控制方法，滞环控制法的电流控制结构简单，跟随误差较小，动态响应速度比较快。但在采用滞环比较法固定滞环宽度的时候，如果电流偏差过大，就会导致滞环宽度小的滤波器不能实时对电流变化进行较好得跟踪补偿，电流偏差较大的时候，环宽固定，产生的补偿电流就会过大，补偿效果也不够理想。同时，功率器件的开关频率还会产生大量的噪声和脉动电流，若逆变器对三相间的控制不独立，将会产生相间的干扰。

1.3 无差拍控制法

无差拍控制是一种全数字化的控制方法。其利用当前的参考电流和补偿电流值计算下一时刻的参考值与补偿值，目的是使实际输出值与参考值的误差为0，这样能够准确的跟踪监测参考电流值。无差拍控制法主要用于正弦参考波情况，具有动态性能好、跟踪无过冲的优点。该算法首先求得到补偿电流值和反馈电流值，并计算调节信号宽度的占空比，计算的占空比实际就是控制功率器件的开关占空比的信号，使输出与指令信号大小相等，方向相反的补偿值，在同一个采样周期内调节PWM信号的宽度和极性，使输出期望指令值，这样使得输出量跟踪输入量，达到补偿谐波的效果。该控制是一种基于对象的数学模型控制法，可以消除稳态误差，且能够在短时间内达到稳定状态，减小过渡过程，并且可以较快的实时跟踪电流变化。但是这种算法对电路的参数以及控制器的匹配度要求较高，如果对控制对象的参数选择的不恰当的话，就会导致瞬时响应的超调量增大，鲁棒性较差。

1.4 预测控制法

上述的无差拍控制方法，其控制效果与控制器参数和系统参数的配合有着很大的关联性，若选择的参数不匹配会产生较大的跟踪误差，为消除这种跟踪误差对补偿性能的影响，简化计算量，提出了预测控制法。该控制算法可有效地预测指令电流和负载电流，同时也可以有效预测逆变器的输出电压。预测控制法是一种基于模型的全数字化的闭环控制算法，依靠数字信号处理器的数值计算并处理。利用当前值与过值计算偏差，确定当前的最优输入策略。该方法通过逆变器功率器件状态方程以及输出反馈量进行预测，计算下一时刻谐波参考电流值，再计算下个开关周期的占空比。预测控制法采用全数字量控制，比传统的三角波控制法和滞环控制法更能够快速的跟踪谐波电流的变化，响应速度快，具有很好的鲁棒性。但预测控制法对于硬件的依赖性较高，目前较少应用。随着微控制芯片技术的迅速发展，此控制方法也将得到更加广泛的应用。

2 电流跟踪预测控制算法及改进

有源电力滤波器的工作过程为通过改变输出电压，进而改变电抗器的电流，该电流是用来抵消谐波电流和基波的无功分量，起到滤波的作用。在电源电流预测控制算法中，其直流侧采用传统的PI控制法，由于该算法调节速度较慢，且超调严重，在此处做了一些改进，采用了基于电压差平方的PI控制法。根据端口网络的能量守恒定律，此外忽略逆变桥电路的开关等损耗，交流侧发出的有功功率，其中一部分消耗在有源电力滤波器上，而另一部分消耗在非线性负载上。其中，消耗在有源电力滤波器上的有功功率记为P1，消耗在非线性负载上的有功功率记为P2，且非线性负载消耗的有功功率由负载本身决定。基于瞬时无功功率的理论，有源电力滤波器获得的有功功率全部用来供给直流侧电容，即交流侧吸收或者释放的能量应等于直流侧的电容充电或放电的能量，由此来平衡直流侧电压值，补偿能量消耗，使之保持稳定。通过计算电流，并采集电源电压的相位，计算下一时刻的理想电源电流，将计算结果代入占空比的计算公式中，得出功率开关的占空比，进而控制逆变器开关器件的开通和关断时间。改进以后能够使得直流侧电压快速的上升到给定指令，缩短调节时间，进而较快速的达到稳定状态。

3 总结

对电能质量谐波控制方法进行分析研究，详细的分析了有源电力滤波器的电流控制各种方法的优缺点，并提出和改进了电源电流预测控制算法，对谐波进行补偿。改进后的算法相对于传统的控制法在保证稳定性的同时具有良好的快速性，具有更佳的补偿效果和动态性能。

【参考文献】

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[责任编辑：汤静]